Desarrollo de herramientas orientadas al estudio de electrolizadores PEM para implementación de réplica digital

Abstract

La creciente escasez de los combustibles fósiles y la transición energética hacia el consumo de fuentes de energías renovables han propiciado un auge en el desarrollo de tecnologías dedicadas al aprovechamiento del hidrógeno. Para la generación de este gas, es común el uso de electrolizadores, dispositivos basados en el proceso electroquímico de electrólisis que separan un compuesto en sus componentes fundamentales. A través de este proceso se obtiene hidrógeno a partir de carburos o de elementos no contaminantes como el agua. El funcionamiento de este dispositivo resalta por su complejidad, dificultando su integración inmediata en sistemas físicos. Por ello, se requiere una comprensión previa del comportamiento de estos equipos previo a su uso e implementación. Ante esta necesidad, la presente Tesis Doctoral tiene como objetivo desarrollar herramientas orientadas al estudio de electrolizadores tipo PEM para la implementación de una réplica digital. Este conjunto de herramientas consta de: una plataforma de simulación mutli modelo con la cual realizar un estudio teórico y comparativo de diversos modelos de la literatura científica; un sistema de monitorización en tiempo real basado en el Internet de las Cosas dedicado a la visualización y estudio del funcionamiento de un electrolizador PEM integrado en una smart Microgrid; una réplica digital del electrolizador PEM físico que recrea su operación de mane ra virtual. En este documento se describe el proceso de diseño e implementación de estas herramientas, resaltando las características y funcionalidades de cada una de estas.

The increasing scarcity of fossil fuels and the energy transition towards the consumption of renewable energy sources have fostered a surge in the development of technologies dedicated to harnessing hydrogen. For the generation of this gas, the common practice involves the use of electrolyzers, devices based on the electrochemical process of electrolysis that separates a compound into its fundamental components. Through this process, hydrogen is obtained from hydrocarbons or non-polluting elements such as water. The operation of this device stands out for its complexity, hindering its immediate integration into physical systems. Therefore, a prior understanding of the behavior of these devices is required before their use and implementation. In response to this need, the present Doctoral Thesis aims to develop tools focused on the study of PEM electrolyzers for the implementation of a digital replica. This set of tools consists of: a multi- model simulation platform for conducting a theoretical and comparative study of various models from scientific literature; a real-time monitoring system based on the Internet of Things, dedicated to the visualization and study of the operation of a PEM electrolyzer integrated into a smart Microgrid; a digital replica of the physical PEM electrolyzer that recreates its operation virtually. This document describes the process of designing and implementing these tools, highlighting the characteristics and functionalities of each one.